移动计算环境下语音感知哈希认证技术及安全性研究

Speech perception hash technology， as an effective speech authentication technology, has the characteristics of high authentication efficiency and small authentication data. The present studies are focused on the speech perceptual hash algorithm of no compression, realize the single function, and in mobile environment, the speech perceptual hash real-time authentication algorithms and the safety analysis were no reports. Firstly, around the practical problem of limited transmission resources in the mobile environment, this topic optimizes the original perceptual hash algorithms, structures perception hash algorithms which are based on compressed domain, in order to realize the purposes of high authentication efficiency and less occupied resources; Secondly, combining speech coding, digital label and digital watermarking technologies, this topic studies the transmission methods of perception hash value, selecting the position of extraction hash values and carrying hash values through judging the position of speech, then improving the systems' robustness and security. Then around the authentication system's contradictory problems of robustness and tamper localization ability, to study the safety analysis method of algorithms. The present algorithm is not sensitive for small range tamper attacks, the small range tamper attack can be done through changing the manipulation fragments of the original speech semantics, it can promote the application of speech perception hash in the authentication that the evaluation to the system's security. Finally, get such a speech perceptual hash authentication system in mobile environment, with the functions of copyright authentication, the speaker authentication and the speech integrity authentication.

语音感知哈希技术作为有效的语音认证技术，具有认证效率高、数据量小的特点。目前研究集中在无压缩语音感知哈希算法，实现功能单一，且移动环境下语音感知哈希实时认证算法和安全性分析研究未见报道。课题首先围绕移动环境下传输资源有限的实际问题，对原有感知哈希算法优化，基于压缩域构造感知哈希算法，以实现认证效率高，资源占用少的目的；其次结合语音编码，数字签名和数字水印技术对感知哈希值的传输方法进行研究，通过判定语音位置，选取提取哈希值和携带哈希值的位置，提高系统的鲁棒性和安全性；然后围绕认证系统的鲁棒性和篡改能力相互矛盾的实际问题，对算法的安全性分析方法进行研究。现有算法对小范围篡改攻击不具有敏感性，小范围篡改攻击可以通过篡改片段改变原始语音的语义，对系统的安全性进行分析评价，可推动语音感知哈希在语音认证中的应用范围；最后实现具有版权认证、说话人认证、语音完整性认证功能的移动环境下语音感知哈希认证系统。

在移动计算环境下，为了实现高效的语音内容认证，解决语音感知哈希算法中鲁棒性、区分性和认证效率之间的相互影响，实现语音的小范围篡改检测与定位、感知哈希值的传输、语音编码在语音感知哈希中的应用、以及认证算法的安全性评价，本项目重点开展了以下研究：1) 结合移动计算环境认证要求和感知哈希认证算法的性能要求，构建了适用于移动计算环境下的通用语音感知认证模型。2) 结合HAS模型对现有的语音特征值提取算法进行优化，提出能够较好的表达原始语音内在特征、提取效率高、鲁棒性强的语音感知特征值提取算法，使其满足移动计算环境下的语音通信实时认证要求。3) 提出一种基于对称三进制串的语音感知哈希认证方法，该方法的鲁棒性和感知哈希摘要三进制表示明显优于二进制形式。4) 提出了针对小范围篡改攻击的语音感知评价方法和能实现小范围篡改检测与定位的语音感知哈希认证算法，对语音信号的小范围篡改攻击具有很强的敏感性。5) 研究了可抵抗MP3转码操作的压缩域语音感知哈希认证算法；针对现有语音感知哈希认证算法认证音频格式单一、认证算法不通用、认证效率低等问题，提出了兼顾原始域和压缩域语音信号双重需要的多格式语音感知哈希认证算法。6) 将语音编码和信息隐藏技术融合，研究了感知哈希值的携带传输方法和隐秘通信方法，研究了移动计算环境下的感知哈希值隐秘传输问题，解决了感知哈希值传输过程中需要额外信道以及容易受到攻击而发生改变的问题。7) 提出了与G.729编码标准相结合的原始域鲁棒语音感知哈希认证算法，解决了带宽资源受限的语音通信环境中语音认证对低数据量、低复杂度的要求，可满足移动环境下对语音传输效率、安全性、鲁棒性和区分性的要求。8) 结合语音感知哈希认证机制和密钥依赖性，给出了安全性评价方法，总结出不会影响语音感知哈希算法性能的具体加密环节，并结合香农唯一解距离和模糊承诺方案对语音认证算法的安全性进行了详细的分析。